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《焦点访谈》 20171106 铸科学利器 启创新之道

来源:央视网2017年11月06日 20:05

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央视网消息(焦点访谈):前不久,国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”在合肥通过了验收,使我国成为继美国、法国、荷兰、日本之后第五个拥有稳态强磁场的国家。而在北京怀柔,另一个大科学装置——“综合极端条件实验装置”也启动建设。听起来,“稳态强磁场”“综合极端条件”都很陌生,也不好懂,它们都属于国家重大科技基础设施。为什么要建这样的设施,对于科学研究来说,这两个大装置有着什么样的重要意义呢?

眼前这个装置看起来像锅炉,但它却让很多科学家梦寐以求。它是一个混合磁体,中心磁场强度能够达到40万高斯。

“稳态强磁场实验装置”负责人、中国科学院合肥物质科学研究院院长匡光力介绍:“地球磁场,像合肥地区的地球磁场在0.5高斯左右,所以40万高斯,相当于地球磁场的80万倍。”

强磁场是现代科学实验最重要的极端条件之一。在强磁场这种极端条件下,物质的特性可以被调控,这就给科学家提供了研究新现象、发现新技术的机遇。匡光力说,几十年来,在磁场下的科学研究取得了大量的创新成果,先后有19项成果获得了诺贝尔奖。

强磁场也被称为诺贝尔奖的摇篮,先后获得1985年和1998年诺贝尔物理奖的整数和分数量子霍尔效应,就是在强磁场下发现的;2003年获得诺贝尔奖的核磁共振成像技术,也是基于强磁场环境的研究成果。从生命科学到医疗技术,从化学合成到功能材料……在各个科学领域,强磁场都是科学家们渴求的研究环境。

匡光力说:“你的工具如果很差,你的条件不具备,很多现象你看不见,那你只能在那儿苦思冥想。特别是做科学实验,这是科学研究发展的非常重要的一个方面。”

尽管早已认识到了强磁场的意义,但是长期以来,我国科学家并没有在强磁场下进行实验的条件。

科学技术的进步离不开基础理论的发展,而基础理论的发展需要科学实验进行验证。要进行科学实验,离不开实验环境和科学仪器。重大突破,科研仪器先行。大科学装置给科学家提供了检验、探索、发现新理论的基础。没有这样的条件,相关科学的发展就受到了局限。

而没有自己的仪器,我们的科学研究只能受制于人。

 

“买来的这些仪器设备也很先进,但是肯定不是最先进的,因为他都能卖给你,他在国内已经卖了很多了,很多的实验室、大学早就拥有类似的仪器设备了。换句话说,这是先进的,但不是唯一的,更不是领先的。唯一的、领先的只能你自己研制。”匡光力说。

要建设科技强国,科学研究从跟踪到并行再到领跑,中国科学家要做出原创性成果,走上国际科学前沿,必须发展自己的大科学装置。对于强磁场人来说,他们不但要建出强磁场装置,还要达到国际一流水平。

磁场强度越高,物质的变化就越为明显,也就越有利于新的科学发现,就像显微镜放大10000倍比放大10倍能告诉研究人员更多一样。但是,磁场强度的提高,每一步都走得很艰难。强磁场中心的“稳态强磁场实验装置”达到了40万高斯的磁场强度。40万高斯,这是二十几年来,世界上几个有实力的国家都在尝试的目标。

我国成为继美国之后,世界上第二个拥有40万高斯强磁场装置的国家,磁体技术达到世界一流水平。不仅如此,在建造强磁场装置的过程中,也有很多突破。

中科院合肥研究院强磁场中心磁体科学与技术部副主任陈文革介绍:“我们混合磁体当中的外超导磁体,将提供800毫米的室温孔径,如此大的孔径,提供如此高的场强,在世界上应该是独一无二的。”

在这个稳态强磁场上面,凝结着过去数十年中国磁场设计、施工、材料加工、工程装备等各项成果,也得益于中国工业和制造业的迅速发展。凭着这个装置,中国的稳态强磁场已经达到了国际一流水平,但强磁场人显然没有满足于此。

“我们特别地考虑到不仅仅在磁场的强度方面要达到国际最高的水平,甚至领先的水平,还希望有一些具有我们自己特色的,针对我们科学家研究中间实际需要的,自主创新一些测量系统。”匡光力告诉记者,“我们把扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁力显微镜,三种显微镜,放到磁场环境下去测量,这种图像分辨率是原子尺度的分辨率,非常非常精密的一种测量,要求很高,国际上在我们之前,没有哪家做成功。”

工欲善其事,必先利其器。强磁场提供了科学研究的环境,但是要更好地利用它开展科研,还需要强大的观测工具。但强磁场环境非常恶劣,再加上磁场内部口径只有3.2厘米,这么小的空间,显微镜的设计受到很大的局限。

在这样的环境下进行原子级别的测量就相当于在磅礴大雨中去辨别一滴雨滴落地的声音,难度相当大。怎么解决,唯有创新。创新不是别人能赐予的,特别是在关键技术、核心技术上,只能靠中国人自己的努力,否则只能跟着别人走。中科院合肥研究院强磁场中心陆轻铀团队从最根本上进行创新,取得了重要的突破。

这就是陆轻铀团队自主研发的扫描隧道显微镜,大小如同一支钢笔,它在世界上首次实现了在强磁场水冷震动环境下拍摄到原子级别的图像。这套显微镜系统也成为吸引科研人员的一项利器。中国科技大学物理学院的曾长淦教授,就是被这套系统吸引的科学家之一。

2017年,借助强磁场中心的观测装置,曾长淦与陆轻铀课题组在研究领域取得突破,并在权威期刊《纳米快报》上发表论文。

曾长淦说:“以前,条件限制使一些特别前沿的研究,我们就没有办法做,特别是从实验上来说我们就没法做出来,只能眼睁睁看着别人做,有了这个装置之后,我们就可以做很多,我们就跟别人,跟欧美处在同一个起跑线上,我想凭我们的智力来说,凭我们的勤奋程度来说,我们可以做出更多原创性的工作。”

大科学装置就是科学研究的基础设施。这样的基础设施建好了,就成为吸引人才、凝聚团队的最大法宝。

受到“强磁场”的吸引,很多在国外工作的人才回到国内。田明亮之前在国外从事材料科学研究,2011年,他回国加入中科院合肥研究院强磁场中心,担任材料科学研究部副主任。他说:“科学研究平台的重要性,因为这个平台它是独一无二的,我们知道很多商业买来的设备,你只要有经费都可以来买,但是这个强磁场平台,在中国是独一无二的,况且我们在这里发展独一无二的实验测试系统。”

几年来,在强磁场中心的研究条件支持下,田明亮和材料科学研究团队取得突破性进展,并多次在《美国物理评论》《自然通讯》等权威期刊发表论文。

“稳态强磁场实验装置”运行期间,为清华、北大、复旦、中科大等106家用户单位的1500余项课题提供了实验条件,产出了一大批具有国际影响力的科研成果。

极端条件实验手段的整体水平直接影响我国在很多核心科学领域的竞争力。虽然已经建了稳态强磁场实验装置,但科技强国的发展需要持续不断的创新,科技基础设施的建设不是走一步算一步,而是要左脚还未落地,右脚就要看好落在哪里,同时还要向更远的目标确定方向,才能不断进步,始终走在世界前列。就在“稳态强磁场实验装置”通过验收的第二天,我国在北京市怀柔科学城启动建设首个“综合极端条件实验装置”,比“稳态强磁场实验装置”更进一步,这将是国际上首个集极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件为一体的用户装置。

创新,必须瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究。这些,都离不开国家重大科技基础设施的建设,而这些基础设施的建设,依托的是国家日益强大的科技实力。

“综合极端条件实验装置”工程经理部常务副经理文亚说:“中央提出了创新型国家建设的号召,这是一个冲锋号,吹响这个冲锋号之后,科学家各界同仁应该说一起联合来实施,我们现在怀柔科学城的建设,核心区的进度是非常非常快的,过去是从来没有这么快的速度。”

“综合极端条件实验装置”工程经理部经理、中科院物理所所长方忠表示:“我们要做到综合极端条件,更重要的是它标志着,我们整个的基础研究,特别是在物质科学研究领域的水平,从原来的跟踪正式进入到全球引领的这样一个地位。”

要想成为具有世界影响力的大国,离不开基础科学领域的响亮发声。十九大报告指出,建设创新型国家,必须瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破;必须加强应用基础研究,拓展实施国家重大科技项目。像天眼、稳态强磁场实验装置、综合极端条件实验装置等都属于国家重大科技基础设施,是科学家们进行科学研究的重要平台,也是提升科研水平的利器。它们的建成,既是我国科研人员创新进取的成果,也将以巨大的磁力,吸引更多优秀人才从事相关领域的研究,推动我国基础领域的科学研究进一步走向世界前沿。

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更新时间:2017年11月06日 20:05

视频简介:本期节目主要内容: 前不久,国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”在合肥通过验收,使我国成为继美国、法国、荷兰、日本之后第五个拥有稳态强磁场的国家。而在北京怀柔,另一个大科学装置——“综合极端条件实验装置”也正式启动建设。听起来,“稳态强磁场”“综合极端条件”都很陌生,也不好懂,但是它们都属于国家重大科技基础设施。为什么要建这样的设施,对于科学研究来说,这两个大装置有着什么样的重要意义呢?(《焦点访谈》 20171106 铸科学利器 启创新之道)

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